A nyomtatási folyamathoz szükséges alapanyagot biotintának nevezzük. Ez az anyag élő sejtekből és az őket körülölelő hidrogélből álló komplex elegy. A sejtek a nyomtatás közben rendkívül sérülékenyek. A gél egyszerre tölti be a védőpajzs és a táptalaj szerepét. A mérnöki feladat itt a folyékonyság és a szilárdság egyensúlyának megteremtése. A tinta legyen elég híg a fúvókán való áthaladáshoz. A lerakás után viszont azonnal meg kell tartania a saját súlyát és a ráépülő rétegeket. A túl nagy nyomás roncsolja a sejtmembránt. A kevés nyomás pontatlan formákat eredményez. A Wake Forest Institute szakemberei olyan polimereket használnak, amelyek testhőmérsékleten vagy UV-fény hatására szilárdulnak meg. Ez a megoldás stabil szerkezetet ad a szövetnek.
A sejtek típusának kiválasztása meghatározza a későbbi szerv funkcióját. A legtöbb esetben őssejtek alkotják az alapot. Ezeket később kémiai jelekkel irányítják a megfelelő fejlődési út felé. Egy máj felépítéséhez májsejtekre, érsejtekre és kötőszöveti elemekre van szükség egyszerre. Ezeket a különböző összetételű tintákat több fejből adagolják a pontos koordinátákra. Ez a biológiai logisztika minden korábbi ipari folyamatnál összetettebb feladat. A sejtpatronok frissessége alapvető elvárás. A nyomtatási időt a lehető legrövidebbre kell fogni az oxigénhiány elkerülése érdekében. A sejtek pusztulása a tartályban a teljes folyamat kudarcát jelenti. A gyorsaság és a kíméletesség határozza meg a végeredmény minőségét.
Az érhálózat kialakításának problémája
A kutatók ma már képesek porcszövetet vagy bőrt előállítani, de a komplex belső szervek nyomtatása akadályokba ütközik. A legnagyobb nehézséget a vaszkularizáció, vagyis a hajszálerek hálózatának megépítése jelenti. A vese vagy a szív sejtjei folyamatos tápanyag- és oxigénellátást igényelnek. A természetes átszivárgás csak néhány milliméteres mélységben tartja életben a szövetet. Ennél vastagabb rétegek esetén a szerv belseje gyorsan elhal. Az emberi érhálózat egy olyan bonyolult rendszer, amelyet a jelenlegi gépek nem tudnak teljes mélységében lemásolni. A nagyobb erek megtervezése megoldott. A mikroszkopikus kapillárisok világa viszont még kifog a technológián. Az érhálózat hiányában a nyomtatott szerv csupán egy élettelen szövethalom marad.
A mérnökök úgynevezett áldozati anyagokkal próbálják áthidalni ezt a problémát. Olyan zseléket nyomtatnak az erek helyére, amelyek a szerkezet megszilárdulása után kimoshatók vagy kiolvaszthatók. Ez a módszer üreges csatornákat hagy hátra a szövet belsejében. Ezeket a járatokat később érsejtekkel bélelik ki. Az érsejtek természetes módon tapadnak meg a csatornák falán. A Tel Aviv-i Egyetem kutatói egy kisméretű szívet nyomtattak, amely már rendelkezett kezdetleges erekkel. Ez a kísérlet igazolta az elmélet működőképességét. A valódi méretű és működőképes szervig még sok fejlesztésre van szükség. Az érhálózatnak bírnia kell a vérnyomást is. A szakembereknek olyan rugalmas csőrendszert kell létrehozniuk, amely képes együttműködni az élő sejtekkel.
Mechanikai hatások
A nyomtatás során a sejt komoly fizikai igénybevételnek van kitéve. A fúvókán való kilépéskor a nyíróerő deformálja a sejt szerkezetét. Ez a kritikus pillanat határozza meg a túlélést. A kutatók lézeres technológiával próbálják kiváltani a mechanikai érintkezést. A lézerimpulzus egy vékony fémrétegre hat, amiről a biotinta cseppje a gravitáció segítségével jut a tálcára. Ez az eljárás kíméli a sejteket, bár lassabb a hagyományos módszernél. A pontosság itt az életben tartásról szól. A hőmérsékletet tizedfokos pontossággal kell szabályozni. Egy kisebb ingadozás is beindíthatja a sejt önmegsemmisítő folyamatát.
A nyomtatás befejezése utáni fázis az inkubáció. Az elkészült szerkezet ilyenkor még csak sejtek halmaza. A bioreaktorokba helyezett szöveteket mechanikai és elektromos impulzusokkal ösztönzik a fejlődésre. A szívizomnak meg kell tanulnia a lüktetést. A porcszövetnek ellenállónak kell lennie a nyomással szemben. A gépek a test belső környezetét szimulálják a sejtek számára. Ez az érési folyamat hetekig tarthat a laboratóriumban. A mérnökök olyan szenzorokat fejlesztenek, amelyek a szövet megsértése nélkül követik a belső változásokat. A technológia a nyomtatás után is felügyeli a sejtek állapotát.
Hogy előzzük meg a legnagyobb problémát?
Az új technológia alapjaiban változtatja meg az immunológiai kezeléseket. A nyomtatáshoz a beteg saját sejtjeit használják fel. A szervezet sajátjaként azonosítja be az így készült májat vagy vesét. A kilökődés kockázata gyakorlatilag megszűnik a beavatkozás után. Nincs szükség többé az immunrendszert elnyomó gyógyszerek tartós szedésére. Ez a változás javítja a gyógyulás esélyeit és az életminőséget is. A szervkereskedelem és a feketepiac alapjai szűnnek meg ezzel a fejlődéssel. A gazdasági hatás jelentős lesz az egészségügyben. A hosszú távú dialízis vagy a folyamatos kórházi ápolás költségei magasabbak egy sikeres beültetés áránál. Az orvostudomány a tüneti kezelés felől a szerkezeti helyreállítás irányába mozdul el.
A donorkártyák korszaka lassan véget ér. A helyét egy olyan világ veszi át, ahol a szervhiány okozta halálozás technikai hibának minősül. A kutatóintézetekben ma már nem a megvalósíthatóság a kérdés. A fejlesztések az érhálózat sűrűségére és a hajszálerek pontosságára fókuszálnak. Az élő szövet nyomtatása nem csupán mérnöki bravúr. Ez a biológiai önrendelkezés új szintje. Az élet és a gyártástechnológia határai végleg elmosódnak a laboratóriumok asztalain. A gépből kikerülő első önállóan dobbanó szív jelzi majd az új korszak kezdetét az emberiség történetében.